“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证

X射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的X射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为99.5%、99.1%；开展了200 km轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到SSB(Solar System Barycenter)处的轮廓相似度分别为99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩50%，轮廓相似度为99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不...     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

光子TOA与自转频率误差对Crab脉冲星脉冲TOA估计的影响

为量化分析Crab脉冲星X射线波段光子到达时间（TOA）测量误差和自转频率误差对脉冲TOA估计的影响，仿真生成了13 200组带有不同光子TOA测量误差的光子TOA数据。采用含有不同大小自转频率误差的Crab脉冲星星历，通过历元折叠建立积分脉冲轮廓，与标准脉冲轮廓作互相关运算获得各组仿真观测的脉冲TOA测量误差，进一步计算出各误差参数组的仿真观测脉冲TOA测量误差均方根（RMS）。仿真结果表明，为使Crab脉冲星脉冲TOA短期测量精度达到30 ~300 μs量级的要求，有效面积为6 000 cm2和30 cm2的探测器脉冲星自转频率误差均应小于3×10-6 Hz，30 cm2的探测器光子TOA的偶然误差同时应控制在500 μs以内。     

X射线脉冲星星表方位误差估计算法研究

星表方位误差是影响脉冲星导航精度的一项主要因素,也是天文研究的一项重要内容。本文提出一种基于卫星导航数据,采用卡尔曼滤波器对X射线脉冲星星表方位误差估计的方法。仿真结果表明,在不考虑其他误差因素下,该方法可以较好地估计出X射线脉冲星的星表方位误差,改善星表精度,随着人类对宇宙空间认识的加深,本文研究结果对未来基于X射线脉冲星的自主导航和天文观测研究具有一定的潜在理论参考价值。     

基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

基于路标观测角的星际着陆器自主位姿确定技术

针对利用导航路标进行六自由度状态估计这一非线性、模糊性问题,对星际着陆器自主位姿确定技术进行了研究。为了减小算法的复杂性,提高求解精度,基于欧式变换下角度不变性,提出以导航路标观测视线之间所形成的夹角作为观测量,对像素观测方程中位置、姿态状态进行解耦求解。通过对观测矩阵的讨论,分析了导航路标空间分布对位姿确定精度的影响,给出了导航路标选取的最优观测方案。最后利用蒙特卡罗仿真对所提导航算法进行了验证,并对影响导航精度的各相关因素进行了分析。     

导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

脉冲星具有很高自转稳定性，利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准，可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表，国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的，无法直接用于构建时空基准，将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况，提出通过模拟计时观测数据，拟合获得新参考系统下的星历表，实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度，其中，DE200转换为DE436后，脉冲星TOA一年内预报值最大偏差由86.6μs减小为2.3μs。TT(TAI)转换为TT(BIPM15)后，TOA一年内预报值最大偏差由0.326μs减小为0.062μs。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换，转换误差小于6 ns，可忽略不计。参考系统DE421/TT(TAI)/TDB转化为DE436/TT(BIPM15)/TCB后，TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047μs。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发，提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法，即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理，在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上，提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次，分析论证了人造辐射源的可行性，并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要，结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程，采用扩展卡尔曼滤波方法，研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明，在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下，该方法的航天器位置估计精度可达152 m，并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著，但由于太阳系各行星间轨道倾角较小，地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际...     

航天器自主导航状态估计方法研究综述

自主导航是航天器自主运行的核心关键技术。状态估计是实现航天器自主导航的核心手段,是指实时确定航天器在轨位置、速度和姿态等导航参数,是航天器自主导航技术的重点发展方向之一。首先,针对航天器自主导航的实际需求,阐述了研究航天器自主导航状态估计方法的必要性,具体从导航系统可观测性分析、导航滤波算法、导航系统误差补偿3个方面介绍了航天器自主导航状态估计方法的研究现状;然后,分析并总结状态估计方法在航天器自主导航系统中的实际应用;最后,结合理论研究和实际应用,给出了状态估计方法目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望。     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

X射线脉冲星信号时延的实时估计方法

针对在频域内计算X射线脉冲星信号延时量存在滞后性,进而难以为航天器自主导航提供实时信息的问题,提出将脉冲星信号延时估计转化为时域内标量估计的方法。首先,通过人工神经智能网络获得脉冲星信号的标准轮廓函数作为状态方程;应用粒子滤波算法对脉冲星信号延时量进行实时估计;其次,为了避免标准粒子滤波器中的粒子退化现象,推导并证明了一种新型粒子滤波算法;最后,推导出粒子滤波算法的精度函数,为航天器的导航策略提供参考。以航天器在轨运行中可能遇到的3种情况为背景,验证了所提粒子滤波算法的正确性与有效性。     

基于惯性/激光测距/视觉里程计组合的高空场景尺度误差估计方法

惯性/视觉感知信息融合导航定位技术是目前实现无人机不依赖卫星自主导航的最有效手段。但对于面向高空场景的大型无人机，惯性器件误差与视觉里程计尺度误差耦合且特征平面化导致可观测性下降。针对这一问题，提出了利用惯性/激光测距/视觉里程计组合实现尺度误差估计的方法。通过开展误差模型建立、激光测量点与图像中位置匹配、无人机平飞机动下系统可观测性分析等关键技术研究，实现了高空场景下尺度误差的精确估计。经过300m高度机载试验数据验证，算法精度优于1.5%D，对卫星拒止条件下高空无人机自主导航具有重要意义。     

脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统

脉冲星导航为未来深空探测与导航提供一种可能途径，采用X射线强度关联方法对脉冲星角位置进行高精度测量，可适应高精度时空基准系统构建的发展需求，从理论上提高导航精度。X射线聚焦光学系统是脉冲星高精度测量与探测设备的核心部件，通过高效率聚焦实现对脉冲星极弱X射线光子流量的增强。首先，针对脉冲星角位置强度关联测量地面试验需求，开展了多层嵌套X射线聚焦光学系统的光学设计与性能分析，获得了设计参数对有效面积和角分辨率的影响关系，确定了反射镜几何参数与反射面材料；其次，确定了聚焦光学系统的总体制造误差标准，对高频误差和中低频误差分别进行了分配；然后，采用电铸镍复制工艺加工了超光滑芯轴与反射镜，测试了芯轴的粗糙度和面形误差，利用北京同步辐射光源测试了反射镜的反射率；最后，搭建了原位精密装调装置，完成了多层嵌套反射镜精密装调，实测角分辨率达到12.16″。经强度关联测量试验验证，聚焦光学系统显著提高了探测器接收的光子个数，满足脉冲星角位置强度关联测量的要求。     

基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计方法

受快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）的影响，基于FFT和压缩感知（compressive sensing, CS）的脉冲星周期快速估计算法的计算量大。为进一步减小计算量并提高计算精度，利用离散余弦变换（discrete cosine transform，DCT)取代FFT，提出了一种基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计算法。在该方法中，利用DCT提取脉冲星信号的低频部分构建低频DCT矩阵；构建畸变轮廓字典并获取累积轮廓；提出了利用最大值超分辨率稀疏恢复估计脉冲星周期的方法。仿真结果表明，DCT-CS的脉冲星周期估计精度达到了3.82×10-12 s，计算时间达到了9.31 ms。与FFT-CS相比，周期估计精度提高了约16%，计算时间缩短了约37.5%，实现了实时高精度的脉冲星周期估计。     

捷联惯导系统动基座初始对准仿真研究

建立了捷联惯导系统动基座初始对准的误差模型，利用分段定常系统可观测性分析理论和方法对系统动基座初始对准时的可观测性进行了全面分析。并采用卡尔曼滤波技术，对系统在各种运动基座初始对准情况下的平台误差角进行了估计，给出了方差仿真曲线，比较了静基座与在这些运动情况下的卡尔曼滤波器的估计效果。仿真结果表明，在捷联惯导系统动基座初始对准过程中，可以通过载体线运动和角运动的改变来提高系统的可观测性和状态变量的可观测度，从而提高估计的精度和速度。这样可以寻求最佳机动方案，有效快速地进行初始对准。     

GNSS最优载波相位平滑伪距研究

平滑常数是影响载波相位平滑伪距精度的关键参数,实际数据处理时主要依据经验设定平滑常数。这种主观设定过程缺乏理论依据,无法达到最优平滑效果。针对此问题,以适用于实时GNSS载波相位平滑伪距的经典Hatch递推滤波算法为基础,在连续时间域上分析了载波相位平滑伪距误差的主要构成,给出了总误差估算公式,分析了平滑常数对平滑精度的影响传导机制。进一步,采用令平滑总误差最小为目标的极值法推导给出了最优载波相位平滑常数的计算公式,给出了最优载波相位平滑伪距的完整处理步骤。最优平滑常数算法在数学意义上最优,大幅压缩了伪距测量误差,又不会引入过大的电离层发散误差。通过两个实际算例,证明了算法有效性。     

无陀螺飞行器姿态和角速度确定

通过预测滤波方法研究了利用矢量观测确定无陀螺飞行姿态和角速度的方法。给出的观测滤波法在一定的二次型优化准则下，对飞行器姿态和名义姿态运动模型的等效角速度误差可同时进行实时估计，能够准确跟踪敏感器的测量，有效减小模型误差的影响，数值仿真结果验证了算法的优越性。